1. 方案概述

本方案采用CW32F030C8T6作為主控芯片，采用無感方波控制算法控制無刷直流空心杯電機(jī)。CW32F030C8T6是一款高性能、低功耗的32位微控制器，具有豐富的片上外設(shè)資源，可以適合用于電機(jī)控制。無感方波控制算法是一種簡單有效的電機(jī)控制算法，不需要使用霍爾傳感器，可以降低硬件成本。

本次采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板仍然為CW32_BLDC_EVA V5開發(fā)板，具體開發(fā)板的信息可以翻看上一節(jié)《基于CW32的無刷空心杯電機(jī)有感控制驅(qū)動(dòng)方案》，采用的空心杯電機(jī)與上一節(jié)有所不同，這次使用的空心杯電機(jī)的額定電壓為 24 V。

由于本次采用無感方案，所以只需要將 U、V、W三相電源接上即可，并且三相的順序并無強(qiáng)制要求，下面我們重心將放在對(duì)于無感方波控制的原理部分。

2. 無感方波控制原理

無感方波控制（Sensorless Square Wave Control）是一種用于無刷直流電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)的控制方法。與傳統(tǒng)的有感控制方法相比，無感方波控制不需要使用位置或速度傳感器來反饋電機(jī)狀態(tài)，而是通過檢測電機(jī)自身的懸空相反電動(dòng)勢變化（Back Electromotive Force，簡稱BEMF）來實(shí)現(xiàn)控制。

在無感方波控制中，通過檢測電機(jī)的懸空相電壓的過零點(diǎn)，可以推斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行步狀態(tài)的切換即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 梯形波電壓

無感方波的驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋逆變電路，在理想的情況下，三相全橋逆變電路的電壓波形如下圖2-1所示，每相導(dǎo)通角度為120°，相與相之間相隔120°。

圖2-1 三相全橋逆變電壓波形

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的電流波形也是上圖里的方波，因?yàn)殡姍C(jī)存在漏感 L ，定子電流會(huì)有一定的上升和下降時(shí)間，所以使得理想的方波變成了梯形波。

圖2-2 BLDC運(yùn)行三相電壓波形

從圖2-2中可以看出，無刷直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的三相電壓波形并不是圖2-1里的方波，而是梯形波。由于采用了脈寬調(diào)制計(jì)數(shù)（PWM），所以波形看上去由一道道脈沖組成。

2.2 確定換相信號(hào)

無感方波驅(qū)動(dòng)與有感最大的區(qū)別就在于獲取換相信號(hào)的方式不同，有感方波通過檢測三相霍爾信號(hào)的電平，再根據(jù)三相電平確定電機(jī)此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行在的步狀態(tài)；無感方波是檢測梯形波“斜線”上的反電動(dòng)勢電壓來確定換相時(shí)刻。霍爾信號(hào)對(duì)應(yīng)的相是確定的，所以電機(jī)的供電相也要根據(jù)霍爾相的順序來連接，而無感方波驅(qū)動(dòng)只需要檢測“斜線”上的“過零點(diǎn)”確定換相時(shí)刻后自動(dòng)換相到下一步狀態(tài)，而每一個(gè)步狀態(tài)對(duì)應(yīng)事先已經(jīng)安排好的開關(guān)管通斷，所以電機(jī)的供電相可以隨意連接。

圖2-3 反電動(dòng)勢采樣電路

PA0、PA1、PA5分別對(duì)應(yīng)CW32F030 ADC的0、1、5通道，我們使用ADC采集三相的電壓，但在“過零點(diǎn)”比較中我們實(shí)際使用的是未導(dǎo)通相，即懸空相的電壓。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)思路

驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原理與上一章有感驅(qū)動(dòng)的原理相同，本質(zhì)上是對(duì)電機(jī)定子的通電情況進(jìn)行控制，也稱為換相。這里我們結(jié)合上一章霍爾傳感器的信號(hào)波形與電機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電壓波形來看，如下圖。

暫時(shí)無法在飛書文檔外展示此內(nèi)容

我們將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為三種： 停止、啟動(dòng)、運(yùn)行 ，其中停止?fàn)顟B(tài)不需要過多關(guān)注。首先是電機(jī)的啟動(dòng)，啟動(dòng)狀態(tài)首先要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，因?yàn)殡姍C(jī)在停止時(shí)轉(zhuǎn)子可以在任何位置。確定轉(zhuǎn)子的位置可以給某一步狀態(tài)對(duì)應(yīng)的 MOS 管通電，等待一小段轉(zhuǎn)子復(fù)位的時(shí)間后，轉(zhuǎn)子就在此步狀態(tài)中，然后進(jìn)入啟動(dòng)階段。

無感電機(jī)的啟動(dòng)也稱為“強(qiáng)拖”，以復(fù)位時(shí)的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動(dòng)換步，之后若檢測到 “過零點(diǎn)”，則切入第三種正常運(yùn)行的狀態(tài)，如果沒有檢測到，則提高占空比再手動(dòng)換步，嘗試一定次數(shù)后如果沒有成功則電機(jī)啟動(dòng)失敗。

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在每次輸出 PWM 脈沖時(shí)由比較器觸發(fā) ADC 采樣，根據(jù)當(dāng)前步狀態(tài)確定要使用的反電動(dòng)勢在哪一相。取得反電動(dòng)勢后需要判斷是否已經(jīng)來到 “過零點(diǎn)”，這里還需要判斷當(dāng)前步狀態(tài)是電壓上升還是下降狀態(tài)：上升狀態(tài)需要判斷反電動(dòng)勢大于 “過零點(diǎn)” 值，下降狀態(tài)需要判斷反電動(dòng)勢小于 “過零點(diǎn)”值。還需要注意的是，ADC的采樣時(shí)刻的選擇會(huì)影響到 “過零點(diǎn)”值的大小：如果是在 PWM 高電平時(shí)采集，則過零點(diǎn)值為電源電壓的一半；低電平時(shí)的比較值需要自己根據(jù)實(shí)際大小去調(diào)試。通常在 PWM 占空比大于 50% 時(shí)采樣高電平，低于 50%時(shí)采樣低電平。

圖2-5 采樣點(diǎn)比較值選擇

在檢測到 “過零點(diǎn)” 之后，需要延遲一定的時(shí)間再進(jìn)行換相，以保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。延遲時(shí)間由定時(shí)器記錄的上次換相到本次換相的時(shí)間間隔，取其部分大小作為延遲時(shí)間。

注意，電機(jī)在換相時(shí)由于新的電流通路的建立，電壓在換相處會(huì)產(chǎn)生尖峰毛刺，此時(shí)進(jìn)行 ADC 電壓采集到的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，所以在換相后還需要進(jìn)行退磁狀態(tài)的判斷，如果處于退磁狀態(tài)，則本次不采樣。

3. 軟件設(shè)計(jì)

3.1 MCU資源分配

本次使用到的CW32內(nèi)部資源如下：

• ATIM ：CH1、CH2、CH3 三個(gè)通道比較產(chǎn)生 PWM 波用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，CH4為芯片內(nèi)部通道，無外部引腳，只有一路比較捕獲寄存器 (ATIM_CH4CCR)，且只能用于比較，不能用來捕獲。我們使用 CH4 的比較功能觸發(fā) DMA 傳輸。
• DMA ：使用4路 DMA 通道：CH1、CH2、CH3、 CH4：

1. CH1 將 ADC 單次單通道的采樣結(jié)果傳入 RAM
2. CH2 將 ADC 的 CR1 寄存器的配置值從 RAM 傳入寄存器
3. CH3 將 ADC 的 START 寄存器的配置值從 RAM 傳入寄存器
4. CH1、CH2、CH3由 ADC 硬件觸發(fā)，CH4 由 ATIM 硬件觸發(fā),啟動(dòng) ADC

• ADC ：ADC 采樣的時(shí)鐘設(shè)置需要與 PWM 載波頻率結(jié)合，計(jì)算采樣時(shí)間；采用單通道單次采樣，首次采樣由 ATIM 硬件觸發(fā)，ADC 轉(zhuǎn)換完畢后觸發(fā) DMA 傳輸，通過 DMA 傳輸自動(dòng)改變采樣通道。這樣設(shè)置可以實(shí)現(xiàn) ATIM 觸發(fā)一次就采樣五個(gè)數(shù)據(jù)（U、V、W 相電壓、母線電壓、外部電位器調(diào)速電壓）
• BTIM1 ：BTIM1 設(shè)置 1ms 進(jìn)入一次中斷，在中斷里改變標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)主程序的控制
• BTIM2 ：BTIM2 作為換相時(shí)間間隔的記錄定時(shí)器，決定延遲多長時(shí)間后換相
• BTIM3 ：BTIM3 設(shè)置中斷，在中斷里完成退磁和換相

3.2 部分重要程序介紹

操作 ATIM CH4 的 CCR 寄存器，可以選擇 ADC 在一個(gè) PWM 周期內(nèi)不同位置的采樣：

CW_ATIM- >CH4CCR=（數(shù)字）;

首先是核心函數(shù)：調(diào)制換相

/*step,為當(dāng)前換相序號(hào)，PWM_ON_flag=1時(shí)啟動(dòng)PWM輸出
**Step_Last，記錄上一次步狀態(tài)用于 PWM 占空比的刷新
**Step_Time，記錄上一次換相時(shí)間
**Flag_Start_OK，判斷電機(jī)是否啟動(dòng)成功
**Flag_Demagnetize_State，判斷退磁狀態(tài)，1：需要退磁；2：退磁完成；3：檢測到過零點(diǎn)，可以換相
**HALLcount，記錄換相次數(shù)用于轉(zhuǎn)速計(jì)算
*/
void Commutation(uint32_t step,uint32_t PWM_ON_flag)
{
  if(PWM_ON_flag==0) //不啟動(dòng)則關(guān)閉輸出
  {
    CW_ATIM- >CH1CCRA=0;CW_ATIM- >CH2CCRA=0;CW_ATIM- >CH3CCRA=0;        
    PWM_AL_OFF; PWM_BL_OFF;PWM_CL_OFF;
    CW_ATIM- >CH4CCR=PWM_TS-800;                                        
    return;
  }                         
  //關(guān)閉下管           
       if(step==0||step==5){PWM_AL_OFF;PWM_CL_OFF;}
  else if(step==1||step==2){PWM_AL_OFF;PWM_BL_OFF;}
  else if(step==3||step==4){PWM_BL_OFF;PWM_CL_OFF;}
  //打開上管                
  if(step==0||step==1){CW_ATIM- >CH2CCRA=0;CW_ATIM- >CH3CCRA=0;CW_ATIM- >CH1CCRA=OutPwm;}
  if(step==2||step==3){CW_ATIM- >CH1CCRA=0;CW_ATIM- >CH3CCRA=0;CW_ATIM- >CH2CCRA=OutPwm;}
  if(step==4||step==5){CW_ATIM- >CH1CCRA=0;CW_ATIM- >CH2CCRA=0;CW_ATIM- >CH3CCRA=OutPwm;}
  //打開下管                            
  if(step==0||step==5){PWM_BL_ON;}//AB
  else if(step==1||step==2){PWM_CL_ON;}//AC
  else if(step==3||step==4){PWM_AL_ON;}//BA
                
  Step_Last=step;
  //判斷占空比修改采樣時(shí)刻      
  if(OutPwm >=1200&&Flag_ON_or_OFF==0){Flag_ON_or_OFF=1;CW_ATIM- >CH4CCR=300;}        
  else  if(OutPwm< 1200&&Flag_ON_or_OFF==1){Flag_ON_or_OFF=0;CW_ATIM- >CH4CCR=PWM_TS-600;        }
  //記錄上一次的換相時(shí)間                  
  Step_Time=BTIM_GetCounter(CW_BTIM2);
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM2,0);
  //電機(jī)未啟動(dòng)則快速換相                
  if(Flag_Start_OK==0)
  BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/8);        
  else 
  BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/6);//退磁延遲時(shí)間
   
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
  BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  //啟動(dòng)退磁 
  Flag_Demagnetize_State=1;//退磁狀態(tài) 
        
  HALLcount++;                  
}

接著是第二個(gè)核心：換相。

/*Direction，電機(jī)運(yùn)行方向，0：步狀態(tài)012345，1：步狀態(tài)054321
**Cur_Step，電機(jī)目前的步狀態(tài)，步狀態(tài)正常運(yùn)行順序?yàn)?012345、543210。0：AB、1：AC ……
*/
void BTIM3_IRQHandler(void)
{
  if(BTIM_GetITStatus(CW_BTIM3, BTIM_IT_OV))
  {  
    BTIM_ClearITPendingBit(CW_BTIM3, BTIM_IT_OV);
                
    if(Flag_Demagnetize_State == 1)  //說明退磁結(jié)束后第一次進(jìn)入BTIM3中斷
    {
      Flag_Demagnetize_State = 2;    //退磁結(jié)束標(biāo)志
      BTIM_Cmd(CW_BTIM3, DISABLE);
    }
    else if(Flag_Demagnetize_State == 3 && Flag_Start_OK == 1) //退磁完成和啟動(dòng)成功后，決定下一次換相
    {
      BTIM_Cmd(CW_BTIM3, DISABLE);
      
      if(Direction == 0)          //與RisingFalling的順序要對(duì)應(yīng)
      {
        Cur_Step++;
        if(Cur_Step == 6)Cur_Step = 0;
      }
      else
      {
        if(Cur_Step == 0)Cur_Step = 5;
        else Cur_Step--;
      }
      Commutation(Cur_Step,Motor_Start_F);
    }
  }
}

過零點(diǎn)比較函數(shù)如下，此函數(shù)在 ADC 完成五次采樣后調(diào)用。

/*SampleData[5] U反電動(dòng)勢 V反電動(dòng)勢 母線電壓 W反電動(dòng)勢 電位器調(diào)速電壓值
**TAB_BEMFChannel[6]={3,1,0,3,1,0};
**TAB_RisingFalling[2][6]={//判斷此刻電壓為上升沿還是下降沿，Rising=1;Falling=2
  {FALLING,RISING,FALLING,RISING,FALLING,RISING},
  {RISING,FALLING,RISING,FALLING,RISING,FALLING} }
**Flag_ON_or_OFF，高低電平采樣標(biāo)志位 
**RisingFalling，上升沿下降沿比較標(biāo)志位  
**Count_0V，過零點(diǎn)檢測計(jì)數(shù)  STCount = 15
**Flag_Confirm，啟動(dòng)確認(rèn)標(biāo)志位  
*/
void ADC_Process(void)
{
  static uint8_t count = 0;  //過零檢測計(jì)數(shù)
  uint32_t Voltage_Bus = 0;  //母線電壓
  uint8_t Flag_0V = 0;       //成功檢測到過零點(diǎn)標(biāo)志
        
  if(Flag_Demagnetize_State != 2)return; //說明退磁未結(jié)束
        
  BEMFConvertedValue =SampleData[TAB_BEMFChannel[Cur_Step]];  //取得反電動(dòng)勢
  RisingFalling=TAB_RisingFalling[Direction][Cur_Step];       //判斷上升沿還是下降沿
        
  if(Flag_ON_or_OFF == 0)Voltage_Bus = 50；   //在PWM低電平時(shí)采樣則與地比較電壓              
  else Voltage_Bus = SampleData[2];          //在PWM高電平時(shí)采樣則與電源正極比較電壓
        
  if(RisingFalling == FALLING)
  {
    if(BEMFConvertedValue < Voltage_Bus)
    {
      count++;
      if(count >= 2)                        //連續(xù)兩次都檢測到過零，則認(rèn)為確實(shí)過零了
      {
        count = 0;
        Flag_Demagnetize_State = 3;        //退磁完成，可以換相
                                
        Count_0V++;
        Flag_Confirm = 1;
        Flag_0V = 1;                      //成功檢測到過零點(diǎn)
      }
    }
    else count = 0;
  }
  else if(RisingFalling == RISING)
  {
    if(BEMFConvertedValue > Voltage_Bus)
    {
      count++;
      if(count >= 2)
      {
        count = 0;
        Flag_Demagnetize_State = 3;
                                
        Count_0V++;
        Flag_Confirm = 1;
        Flag_0V = 1;
      }
    }
    else count = 0;
  }
        
  if(Count_0V >= STCount && Flag_Start_OK == 0)   
  {  
    Flag_Start_OK = 1;    //連續(xù)檢測到固定數(shù)量的過零時(shí)，認(rèn)為啟動(dòng)成功
  }        
        
  if(Flag_Start_OK == 1 && Flag_0V == 1)
  {
    Flag_0V = 0;
                
    BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/8); //換相延遲時(shí)間                        
    BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
    BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  }  
}

最后是電機(jī)的啟動(dòng)部分：

/*TimeCountTemp，計(jì)時(shí)，1ms增加1
**Com_time，     啟動(dòng)次數(shù)
**RAMP_TABLE[64]，存儲(chǔ)時(shí)間的數(shù)組
*/
do
  {                                                
    if(Direction == 0)               //與RisingFalling的順序要對(duì)應(yīng)
    {
      Cur_Step++;
      if(Cur_Step >= 6)Cur_Step = 0; //以復(fù)位時(shí)的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動(dòng)換步
    }
    else
    {
      if(Cur_Step == 0)Cur_Step = 5;
      else Cur_Step--;
    }

    Flag_Confirm = 0;
    if(Flag_Start_OK == 0)        
    {
      Commutation(Cur_Step,Motor_Start_F); 
    }  
    TimeCountTemp = 0;
    while(TimeCountTemp < RAMP_TABLE[Com_time]) //等待過零點(diǎn)檢測
    {
      if(Flag_Confirm == 1 || Flag_Start_OK == 1)break;  //啟動(dòng)成功則不再執(zhí)行do.....while里的內(nèi)容
    }

    Com_time++;
    OutPwm+=10;  //沒有啟動(dòng)則依次提高占空比
  }while(Flag_Start_OK==0 && Com_time< 60 && ErrorCode==0);  
  //跳出循環(huán)則 啟動(dòng)成功/超出啟動(dòng)次數(shù)/啟動(dòng)報(bào)錯(cuò)

4. 調(diào)試心得

• 在調(diào)試電機(jī)的過程中要做好限流保護(hù)，電機(jī)換相失敗會(huì)導(dǎo)致其停在某一相，對(duì)應(yīng)的MOS 管持續(xù)導(dǎo)通。
• 退磁延遲時(shí)間和延遲換相時(shí)間的設(shè)置會(huì)影響電機(jī)的性能，過早地?fù)Q相會(huì)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩，過晚地?fù)Q相會(huì)使電機(jī)電流過大，效率較低發(fā)熱嚴(yán)重。
• 電壓比較值的設(shè)置同樣會(huì)造成上一條的影響，在低電平時(shí)采樣比較的值如果設(shè)置過小，會(huì)造成上升沿處換相過早、下降沿處換相過晚的后果。
• 電機(jī)的啟動(dòng)需要緩慢進(jìn)行，不可以將 PWM 的占空比增加過快，否則電機(jī)容易換相失敗。
• BTIM3中斷服務(wù)程序里的方向檢測設(shè)置要與數(shù)組 TAB_RisingFalling 里的 Rising 和 Falling 順序?qū)?yīng)，否則會(huì)啟動(dòng)失敗。
• 由于空心杯電機(jī)的內(nèi)部為三角形接線，在 PWM 低電平時(shí)仍保有較多的能量，所以在 MOS 管關(guān)斷期間的反電動(dòng)勢較高，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加此電壓的大小呈上升態(tài)勢。對(duì)于 “過零點(diǎn)” 電壓數(shù)據(jù)的設(shè)置也需要適應(yīng)這種變化，下圖展示了空心杯電機(jī)運(yùn)行在 35000 rpm 時(shí)的一相電壓波形。

圖4-1 空心杯電機(jī)運(yùn)行電壓波形

審核編輯 黃宇